近年來，變速驅(qū)動器（VSD）的使用顯著增加。隨著VSD繼續(xù)滲透到工業(yè)，汽車和消費者市場，這種趨勢可能會持續(xù)甚至加速。對VSD成功至關(guān)重要的是提高系統(tǒng)性能和降低價格的能力?？臻g矢量調(diào)制或SVM是提高許多類型VSD性能的一種方法。使用低成本，8位μC而不是DSP來實現(xiàn)SVM的復(fù)雜方程也降低了系統(tǒng)成本。實際上，優(yōu)化的SVM算法通常允許低成本的8位μC來執(zhí)行系統(tǒng)的所有控制要求（參考文獻1）。

什么是SVM？

SVM是可用于從三相逆變器產(chǎn)生正弦電壓的眾多方法之一。圖1顯示了典型的逆變器饋電VSD系統(tǒng)。負載通常是感應(yīng)，磁阻或正弦無刷直流電動機。圖1中的控制單元將適當(dāng)?shù)腜WM信號應(yīng)用于構(gòu)成逆變器的六個晶體管。

您可以將SVM的操作與正弦加權(quán)PWM（SWPWM）進行對比，這是一種常用的創(chuàng)建方法正弦電壓。 SWPWM以恒定頻率向每個晶體管施加正弦加權(quán)的PWM信號。每個高側(cè)晶體管的PWM信號應(yīng)相差120°。每個低側(cè)晶體管的每個PWM信號應(yīng)該是相應(yīng)高側(cè)晶體管信號的補碼，這些PWM信號必須包括一些死區(qū)時間以防止直通電流。 μC通常使用存儲在ROM中的正弦表來實現(xiàn)SWPWM。您可以縮放正弦表中的值以生成可變幅度的正弦曲線。 μC通過多次讀取相同的正弦表值來控制頻率，從而產(chǎn)生低頻率，或跳過產(chǎn)生高頻率的正弦表值。

圖2a顯示了理想的最大值 - SWPWM濾波后的幅度輸出電壓。這些圖顯示了相對于逆變器負軌的測量相電壓百分比。如圖所示，線間電壓的幅度僅為逆變器軌電壓的約86％。直觀地，您可以預(yù)期線間電壓V AB 可以達到正軌和負軌電壓。例如，如果圖1的晶體管A +和B-導(dǎo)通，那么V AB 應(yīng)該等于逆變器軌電壓。這種較低的線間電壓是SWPWM的主要缺點之一。但是，使用備用SVM，可以向電機施加更大的電壓。

對于電機控制，線間電壓V AN 和感應(yīng)相電壓確定每相中的電流。相電流決定了電動機的轉(zhuǎn)矩。因此，線對中性電壓是正弦的很重要，只要它們是相同的，相電壓是什么樣的并不重要。對于SVM，產(chǎn)生的相電壓不是正弦波，但線間電壓和線間電壓是正弦電壓（圖2b）。此外，線間電壓的幅度達到了全逆變軌電壓，這表明SVM充分利用了逆變器產(chǎn)生正弦電壓的能力。

要實現(xiàn)SVM，您可以使用SWPWM算法并用圖2b中的相電壓波形替換ROM正弦表。實際上，無限數(shù)量的相電壓可以產(chǎn)生與圖2b所示相同的線電壓。那么為什么要使用SVM而不是其他一些本土的PWM方法呢？答案是SVM非常適合矢量控制方案。 SVM受歡迎的另一個原因是因為相電壓方程的推導(dǎo)可以導(dǎo)致簡單的實現(xiàn)。一個好的SVM算法可以在線計算相電壓，只需要一個只包含60°信息的小型查找表。 SVM公式還允許簡單計算，因為不涉及負數(shù)。除了這些優(yōu)點之外，SVM還可以輕松地進行過調(diào)制。過調(diào)制是一種產(chǎn)生更大電壓的方法。但是，正如您可以直觀地猜測的那樣，過調(diào)制產(chǎn)生的線間電壓不再是正弦波。

SVM平滑步驟

描述SVM的μ算法和過調(diào)制，首先通過檢查生成正弦線到中性點電壓的流行的六步法來看看SVM是如何工作的。圖3顯示了逆變器使用六步模式通過電阻平衡負載產(chǎn)生的電壓。在每個步驟期間，逆變器開關(guān)處于恒定狀態(tài)。 （x，x，x）類型的符號表示逆變器的狀態(tài)。例如，反相器狀態(tài)（+， - ，+）表示晶體管A +，B-和C +正在導(dǎo)通。

描述SVM的一種方法是說它使用復(fù)雜的平均技術(shù)來“平滑“六步模式中的步驟。例如，假設(shè)所需電壓在兩個步驟之間。假設(shè)該所需電壓介于激活逆變器狀態(tài)（+， - ， - ）和（+，+， - ）之間的電壓之間。 SVM將通過首先將狀態(tài)（+， - ， - ）應(yīng)用于時間t 0 ） =“id3424599-81-sub”> A' T 0 ，然后狀態(tài)（+，+， - ）持續(xù)時間t B * T 0 。如果在該PWM周期中有任何剩余時間，則SVM通過使用逆變器狀態(tài)（+，+，+ +）為剩余時間t 0 施加零電壓。 ） 要么 （-， -， -）。這種類型的SVM實現(xiàn)處理每個逆變器狀態(tài)有效的時間。利用μC的強大PWM發(fā)生器需要將這些“狀態(tài)”時間轉(zhuǎn)換為“輸出”時間或每個輸出引腳的占空比。圖4顯示了對稱PWM的切換順序以及序列與時間的關(guān)系T 0 ，t A ，t B ，t 0 。這種類型的對稱PWM是有利的，因為它具有非常少的開關(guān)事件并產(chǎn)生低轉(zhuǎn)矩紋波。

圖4中的實現(xiàn)基于使用C504，C508和C164IμC中的CAPCOM6模塊（www） .infineon.com）。當(dāng)比較定時器達到比較值時，CAPCOM6模塊內(nèi)的比較定時器通過切換輸出引腳來產(chǎn)生對稱PWM。從圖4中，您可以看到比較值與時間之間的以下關(guān)系t A ，t B ，并且t 0 ：

CC0 =（t 0 /2）* T 0 ;

CC1 =（（t 0 /2 + t A ））* T 0 ;和

CC2 =（1-t 0 /2）* T 0 。

計算t A 和t B 的值需要使用六步模式電壓的圖形表示。將六步模式的線到中性電壓轉(zhuǎn)換為空間矢量并在復(fù)平面上繪制矢量會產(chǎn)生圖5中的矢量。下面的等式可以轉(zhuǎn)換任意三個量 - 在這種情況下，線到中性電壓 - 在空間矢量中總和為零：

= V AN （t）e j0 + V BN （t）e j2？/3 + V CN （t）e - j2？/3 。

如圖5所示，當(dāng)使用六步模式時，有六個不同的空間矢量，每個變換器狀態(tài)一個。 SVM算法的輸入是空間矢量電壓，其具有幅度U和角度。如果將真正的正弦三相電壓轉(zhuǎn)換為空間矢量，則U的值始終保持不變，但以恒定速率增加。如果假設(shè)緩慢增加，則SVM算法可以在每個切換周期內(nèi)將U和視為常量。對于任何不完全位于六個基矢量之一的矢量 - 即兩個步驟之間的任何電壓 - 算法必須通過在適當(dāng)?shù)臅r間量內(nèi)應(yīng)用兩個相鄰的基矢量來產(chǎn)生近似。 在兩個相鄰基矢量上的投影給出t A 和t 乙 。 時，以下公式確定t A 和t B 扇區(qū)0：

t B = 2U（3 - ? ）sin（）;

t A = U [cos（） - （ 3 - ?）sin（）];和

t 0 = T 0 -t A -t B 。

SVM的等式表明，當(dāng)位于六邊形之外時，t 0 變?yōu)樨撝担@在物理上是不可能的。要產(chǎn)生正弦電壓，的尖端必須始終位于六邊形內(nèi)。這意味著的長度U必須不大于圖5內(nèi)圓的半徑。內(nèi)圓和六邊形之間的電壓是可達的，但不會產(chǎn)生正弦曲線，因為矢量不會能夠旋轉(zhuǎn)360°而不會穿過六邊形邊界。 t A 和t B 的公式僅在時有效如果在扇區(qū)0之外，那么公式的結(jié)果仍然有用，但是算法應(yīng)該以60°的增量旋轉(zhuǎn)向量，直到向量在扇區(qū)0中.μC然后可以將時間t A 和t B 應(yīng)用于適當(dāng)?shù)那袚Q狀態(tài)。

使用查找表實現(xiàn)SVM

比較值的計算需要計算t A ，t B ，并且t 0 。這些變量需要計算正弦和余弦值以及幾個乘法，這些都必須在線完成。適當(dāng)縮放變量以使它們適合8位μC架構(gòu)可以使任務(wù)更加簡單。例如，如果將比較計時器編程為從0到0xFF計數(shù)，則μC可以將所有比較值存儲為8位值。由于CAPCOM6模塊有多個預(yù)定時器用于定時器，因此該8位值不會真正限制實際PWM頻率的選擇。

如果扇區(qū)零點包含256個角度，則精度為

約為0.235°。對于幾乎所有的VSD應(yīng)用來說，這種精度都足夠了。將每個扇區(qū)劃分為256個角度意味著

必須是11位長。這個長度很方便，因為最重要的3位表示扇區(qū)，最低8位表示扇區(qū)內(nèi)的角度。 μC可以將這些值存儲為兩個字節(jié)。最低有效字節(jié)將始終在t A 和t B 等式中起作用，因為此字節(jié)將始終小于或等于60°。

256字節(jié)的查找表可以存儲每個t B 值，對于U = 1的情況。然后，μC可以將每個t B 值按U的實際值進行縮放，通過僅執(zhí)行一次乘法，該值實際上小于或等于1。通過檢查t B 的公式，您可以看到查找表將包含0到60°之間角度的正弦值。由于這些值始終大于0，因此μC不需要表示任何負數(shù)。 μC可以對t A 執(zhí)行相同的過程。但是，如果您檢查t A 的表，您會發(fā)現(xiàn)該表與t B 表，但相反。該結(jié)果源于所選擇的縮放。 μC可以在同一查找中存儲t A 和t B 的值表。因為該表是256字節(jié)長，相同的指針 - 變量 - 可以檢索t A 和t 乙 。 μC只需要補充指針。因此，μC可以使用很高的準確度確定t A 和t B 只有兩個表查找和兩個乘法。

進一步優(yōu)化

您可以對SVM算法進行其他幾項優(yōu)化。 8051型μC可以在少至55個指令周期內(nèi)完成整個SVM算法，包括推送和彈出指令。如果μC具有300nsec的最小指令周期時間，則所有SVM計算僅需16.5μs。即使在20 kHz頻率切換時，這個短時間也會留出足夠的時間來執(zhí)行開環(huán)或簡單的閉環(huán)控制，例如滑差頻率補償。這種類型的μC的成本很容易低于5美元，而且大批量的成本可能低于2美元。

對于高端矢量控制系統(tǒng)，可以使用雙芯片解決方案一個簡單的低成本32位或16位處理器，如C161，用于執(zhí)行矢量控制計算。您可以將8位μC用作PWM單元，此μC還可以使用板載A/D轉(zhuǎn)換器執(zhí)行所有電流和電壓測量。這種雙芯片解決方案的成本可能遠低于10美元。您還可以使用包含CAPCOM6模塊的16位μC，C164CI。這個單個μC可以執(zhí)行所有矢量控制和SVM計算。

額外的20個指令周期，您可以添加一個過調(diào)制模式，允許驅(qū)動系統(tǒng)向電機施加更高的非正弦電壓。這種類型的驅(qū)動器通常在汽車應(yīng)用中很有用。

圖6a顯示了SVM產(chǎn)生的相電壓和線電壓。圖6b顯示了使用SVM算法控制三相感應(yīng)電機時的相電流。

作者信息

Michael Copeland是英飛凌科技公司（圣何塞的高級應(yīng)用專家，CA）。他擁有密歇根州立大學(xué)（東蘭辛）的碩士和學(xué)士學(xué)位。

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